Ammoniak in Gewässern

Freies Ammoniak (NH3) ist eine toxische Spezies für Fische. Bei der Analyse wird üblicherweise die Summe, NH3 plus NH4+, als Gesamt-Ammonium oder Ammoniumstickstoff bestimmt. Angenommen, es werden gemessen:

pH  =  8.5
T  =  15 °C
Ammonium  =  0.03 mM

Gesucht ist die zugehörige NH3-Konzentration.

Vorgehensweise

Zunächst ist der vorgegebene Parametersatz unvollständig. Ammonium ist ein Kationen; es fehlt also mindestens ein Anion als Gegenspieler. Wir fügen deshalb 0.03 mM DIC (oder HCO3-) hinzu. Dies dient nur als Startwert; den exakten DIC-Wert ermittelt das Programm beim Ladungsausgleich.1

Also: Man beginnt mit reinem Wasser (Taste New) und stellt die Maßeinheit auf mmol/L (obere Checkbox Mol anklicken). Wir tragen ein:

pH = 8.5
T = 15 °C
Amm = 0.03 mM
DIC = 0.03 mM

Mit Start beginnt die Rechnung. Das Wasser ist erwartungsgemäß nicht ladungsbilanziert (ca. 6% Fehler). Zum Ladungsausgleich wählen wir den Parameter DIC. Daraufhin erhalten wir die Meldung:

DIC = 0.030 → 0.026 mM

Unser gewählter DIC-Startwert wurde also um den sehr kleinen Wert von 0.004 mmol/L gesenkt.

Die neue Lösung ist nun exakt ladungsausgeglichen und wir kommen mit der Taste weiter zu den Ergebnistabellen. Die Taste Ionen (obere Menüleiste) zeigt die gesuchte Ammoniak-Konzentration:

NH3 = 0.00238 mM

Damit liegen 8% des gemessenen Ammoniumstickstoffs (0.03 mM) als NH3 vor (0.00238 mM). Aus numerischer Sicht ist das Ergebnis sogar ziemlich “stabil”2 und hängt kaum vom Typ des gewählten Anions ab1 (vorausgesetzt, man vertippt sich nicht bei der Eingabe von pH und/oder T).

Ammoniak bei pH-Erhöhung

Man kann diese Berechnung für höhere pH-Werte wiederholen (bei konstantem Ammoniumstickstoff von 0.03 mM und T = 15°C). Mit steigendem pH nimmt NH3 zu:

pH 8.5:     0.00238 mM
pH 8.6:     0.00294 mM
pH 8.7:     0.00360 mM
pH 8.8:     0.00440 mM
pH 8.9:     0.00534 mM
pH 9.0:     0.00642 mM

Man beachte: Der Anstieg ist nicht linear, sondern exponentiell.

Ammoniak bei Temperatur-Erhöhung

Der pH-Wert ist nur die eine Seite der Medallie; als ein zweiter Umweltfaktor kommt die Temperatur ins Spiel. Wiederholt man die oberen Berechnungen für unterschiedliche Temperaturen (bei konstantem Ammoniumstickstoff von 0.03 mM), so erhält man für NH3 bei pH 8.5:

  5 °C:     0.00113 mM
10 °C:     0.00166 mM
15 °C:     0.00238 mM
20 °C:     0.00333 mM
25 °C:     0.00456 mM

Auch hier liegt keine Linearität vor. Kurzum: Je höher die Temperatur (und der pH-Wert) desto schlimmer die Folgen für Fisch und Natur.

Anmerkungen

  1. Man könnte genauso gut 0.03 mM Chlorid als Anion wählen (und diesen Wert anpassen lassen). Das hat auf die berechneten NH3-Werte keinen Einfluss. 2

  2. Interessanterweise wird dieser NH3-Wert in allen drei Spalten angezeigt. Was heißt das? Das bedeutet, dass der Ladungsausgleich kaum Einfluß auf das Ergebnis hat (die erste Spalte zeigt nämlich die Gleichgewichtsspeziierung vor dem Ladungsausgleich). Erst, wenn man in der Tabellen-Anzeige die Stellen nach dem Komma von 3 auf 5 erhöht (in oberer Menüleiste), zeigt sich ein kleiner Unterschied zwischen der 1. und 2. Spalte.

[last modified: 2014-02-02]